JPH1151394A

JPH1151394A - 急冷軸方向段付き燃焼器

Info

Publication number: JPH1151394A
Application number: JP10124738A
Authority: JP
Inventors: Alan S Feitelberg; アラン・エス・フェイテルバーグ; Mark Christopher Schmidt; マーク・クリストファー・シュミット; Steven George Goebel; スティーブン・ジョージ・ゴーブル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-07-07
Filing date: 1998-05-07
Publication date: 1999-02-26
Also published as: EP0890795A2; EP0890795A3; US5996351A

Abstract

(57)【要約】【課題】汚染物の排出レベルを極めて低くし、低い圧力
降下を保つガスタービン用濃密・急冷・希薄燃焼器を提
供する。【解決手段】ガスタービン（１６）の運転において圧縮
機（１２）と協働する燃焼器（１４）が筒形外側燃焼器
ケーシング（２６）を含み、燃焼ライナ（３２）が上流
濃密部（４６）と急冷部（４８）と下流希薄部（５０）
とを有し、外側燃焼器ケーシング（２６）内に配置され
て燃焼室（３０）を画成しており、燃焼室（３０）は少
なくともコア急冷域（１６２）と外側急冷域（１６４）
とを有する。第１複数の急冷孔（１７０）が急冷部（４
８）においてライナ（３２）に配設され、第１直径を有
して燃焼室（３０）の急冷部（４８）のコア域（１６
２）に冷却噴流を進入させる。第２複数の急冷孔（１７
２）が急冷部（４８）においてライナ（３２）に配設さ
れ、第２直径を有して燃焼室（３０）の急冷部（４８）
の外域（１６４）に冷却噴流を進入させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は米国エネルギー省（ＤＯＥ）によ
り与えられた政府契約第ＤＥＡＣ２１−８７−ＭＣ２３
１７０号に基づき米国政府の支援を受けてなされたもの
である。米国政府は本発明に対して所定の権利を有す
る。

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明はタービン燃焼に関し、特
に、ＮＯｘおよびＣＯの排出量が少ない濃密・急冷・希
薄タービン燃焼器に関する。

【０００３】

【従来の技術】過去１０年間にわたってタービン原動機
からの低排出量に関する規制が劇的に増加してきた。世
界中の環境官庁は現在、新式と既存のタービンからのＮ
Ｏｘ、ＣＯおよび他の汚染物の排出を低率にすることを
要求している。伝統的なタービン燃焼器は非予混合拡散
火炎を用い、燃料と空気が別々に燃焼室に自由に流入す
る。代表的な拡散火炎は、化学量論的状態またはその近
くで燃焼を起こす区域により支配される。その結果生じ
る火炎温度は３０００゜Ｆ（１６５０℃）を超える可能
性がある。二原子窒素は約２８５０゜Ｆ（１５６５℃）
を超える温度で酸素と急速に反応するので、拡散火炎は
通例比較的高レベルのＮＯｘ排出量を生じる。

【０００４】ピーク温度を下げることによってＮＯｘ排
出量を減らすために通常使用される一方法は、水または
蒸気を燃焼器内に噴射することである。しかし、水また
は蒸気噴射は比較的高価な技術であり、急冷一酸化炭素
（ＣＯ）バーンアウト反応の望ましくない副作用を起こ
すおそれがある。加えて、水または蒸気噴射方法は、現
在多くの地域で要求されている極めて低い汚染物レベル
に達する能力に限りがある。

【０００５】ＮＯｘ排出量を減らす他の方法は濃密・急
冷・希薄（ＲＱＬ：ｒｉｃｈ−ｑｕｅｎｃｈ−ｌｅａ
ｎ）ガスタービン燃焼器の利用による。濃密・急冷・希
薄燃焼器において、燃焼器は燃料濃密段と急冷段と燃料
希薄段とに分割される。燃料濃密段（濃密は当量比φ＞
１を意味する）では、空燃混合気が部分的に燃やされ
る。なぜなら空燃混合気は完全燃焼には不十分な量の空
気を含有して導入されるからである。［当量比は化学量
論的燃料／空気比により標準化された燃料／空気比であ
り、φ＝１は化学量論的状態、φ＞１は燃料濃密状態、
そしてφ＜１は燃料希薄状態を表すことに注意された
い。］燃料濃密燃焼は、濃密段内の燃焼中、燃料内の結
合窒素種（例えばＮＨ₃ ）の大部分がＮ₂ に変えられる
ので望ましい。反応性の結合窒素種を比較的非反応性の
Ｎ₂ に変えることにより、ＮＯｘの排出量が減らされ
る。

【０００６】次に、当該技術において「急冷空気(quenc
h air)」と呼ばれる追加空気が濃密段の下流に加えられ
希薄段内の燃焼を完全にする。もし急冷空気が均等かつ
急速に導入されなければ、燃焼器の局所域内で高いＮＯ
ｘレベルが高温により発生する。急速混合が高い圧力降
下とともに達成されるが、これはタービンの総合効率を
減らす。

【０００７】従って、上述から明らかなように、急冷空
気と濃密段燃焼ガスとの急速混合を達成するとともに低
排出レベルと急冷段における低い圧力降下とを保つよう
に濃密・急冷・希薄燃焼器設計の改良をなすことが当該
技術において必要である。

【０００８】

【発明の概要】ガスタービンの運転において圧縮機と協
働する燃焼器が筒形外側燃焼器ケーシングを備えてい
る。燃焼ライナが上流濃密部と急冷部と下流希薄部とを
有し、外側燃焼器ケーシング内に配置されて燃焼室を画
成しており、この燃焼室は少なくともコア急冷域と外側
急冷域とを有する。第１複数の急冷孔が急冷部において
燃焼ライナに配設され、第１直径を有して燃焼室の急冷
部のコア域に冷却噴流を進入させる。第２複数の急冷孔
が急冷部において燃焼ライナに配設され、第２直径を有
して燃焼室の急冷部の外域に冷却噴流を進入させる。代
替実施態様において、燃焼室急冷部はさらに、少なくと
も一つの中間域と、急冷部において燃焼ライナに配設さ
れ第３直径を有して燃焼室の急冷部の少なくとも一つの
中間域に冷却噴流を進入させる少なくとも第３複数の急
冷孔とを有する。

【０００９】

【実施例の記載】図１に示すように、工業用タービンエ
ンジン１０に圧縮機１２が含まれ、濃密・急冷・希薄燃
焼器１４および単段または多段タービン１６と直列連通
をなすように配置されている。タービン１６は駆動軸１
８により圧縮機１２に連結され、駆動軸１８の一部分は
発電機（図示せず）を駆動するように延在して発電に役
立つ。運転中、圧縮機１２は圧縮空気２０を吐出して燃
焼器１４に送り込み、そこで圧縮空気２０は後述のよう
に燃料１９と混ぜられそして点火されて燃焼ガス２４と
なり、ガス２４からエネルギーがタービン１６によって
抽出され軸１８を回して圧縮機１２を駆動するとともに
発電機または他の外部負荷駆動用の出力を生じる。

【００１０】圧縮空気２０は燃焼ライナ３２全体にわた
る開面積の適当な配分によって急冷段空気２１と希薄段
空気２２と急冷空気２３とに分けられる。この実施例で
は、燃焼器１４は筒形外側燃焼器ケーシング２６を備
え、このケーシングは空気を燃焼器１４に供給するため
の少なくとも一つの空気入口２８を有する。外側燃焼器
ケーシング２６内には複数の周方向に隣合う燃焼室３０
が周方向に配設され、各燃焼室は管状燃焼ライナ３２に
より画成されている。各燃焼室３０はさらに、上流端３
６に概して平らなドーム３４をそして下流端４０に出口
３８を有する。遷移部４２が数個の缶出口３８と連接し
て燃焼ガス２４の共通排出をなし、ガス２４は排気路４
４を通ってタービン１６に達する。

【００１１】本発明によれば、燃焼器１４は、上流端３
６における濃密部４６と、急冷部４８と、下流希薄部５
０とを含んでいる。濃密部４６は概して筒形の部分５２
と、それに続く円錐部５４とからなり、円錐部５４は流
路の直径を減らす。円錐部５４は、再循環流の低圧中心
部が希薄部５０のガスを上流に吸引して濃密部４６内に
引き込むことを防止するのに必要である。円錐部５４は
また流れ面積を急冷に適する寸法に減らす便利な方法を
もたらす。

【００１２】濃密部４６に続いてくびれた急冷部４８が
あり、そこで急冷空気２３が導入されそして最後の希薄
部５０内で燃焼生成物と混合する。急冷部４８は筒形部
５６と、希薄部５０の入口における後ろ向き段部５８と
からなる。後ろ向き段部５８は希薄部５０の入口におい
て再循環域を生成することにより希薄部５０内の燃焼安
定性と混合を良くする。

【００１３】燃料ノズル６０が濃密部４６の前方に配置
されて燃焼器１４内に燃料１９と濃密段空気２１を導入
し、旋回が安定した濃密段拡散火炎を生じるようになっ
ている。燃料ノズルを用いて燃料と空気を燃焼器内に導
入する方法の幾つかの例が、米国機械学会（American S
ociety of Mechanical Engineers）のペーパー第９６−
ＧＴ−５３１号、バティスタ（R. A. Battista）、ファ
イテルバーグ（A. S.Feitelberg）およびレイシー（M.
A. Lacey ）著「低発熱量燃料ガスタービン燃焼器の設
計と性能（Design and Performance of Low Heating Va
lue Fuel Gas Turbine Combustors)」に記載されてお
り、この論文はここに参照する。

【００１４】本発明の一実施例によれば、急冷部４８
は、後述のように急冷空気の所要量を計算する目的で、
図２に示すように３つの別々の区域、すなわち、コア域
６２と中間域６４と外域６６とに分割される。本明細書
において急冷部４８に関して用いる区域または域という
用語、例えば外域６６は、急冷部４８を分割する物理的
隔離手段または障壁等と関係するものではなく、急冷部
４８に関して用いる区域または域という用語は、急冷空
気の所要量を計算するための急冷部の配分に関係する。

【００１５】一実施例、すなわち、ここでは「等半径」
実施例と呼ぶものでは、中心点６８（すなわちライナ３
２の対称中心）から測った場合、コア域６２は中心点６
８と、中心点６８と燃焼ライナ３２との間の半径方向距
離の３分の１との間の空間を占める。中間域６４は中心
点６８と燃焼ライナ３２との間の半径方向距離の３分の
１と、同半径方向距離の３分の２との間の空間を占め、
外域６６は前記半径方向距離の３分の２と燃焼ライナ３
２との間の空間を占める。従って、図２に示すように、
コア域６２は断面が本質的に円形であるが、中間域６４
と外域６６は断面が本質的に環状である。

【００１６】他の実施例、すなわち、ここでは「等面
積」実施例と呼ぶものでは、コア域６２は急冷部４８の
断面積の３分の１を占め、中間域６４は急冷部４８の断
面積の３分の１を占め、そして外域６６は急冷部４８の
断面積の３分の１を占める。「等半径」実施例と「等面
積」実施例において、任意の区域に配分される全急冷空
気の部分の比率は、その区域の占める断面積の比率に等
しい。

【００１７】本発明の一実施例によれば、図２に示すよ
うに、第１複数の急冷孔７０が急冷部４８において燃焼
ライナ３２の周囲に沿って周方向に配設される。第１複
数の急冷孔７０は急冷部４８のコア域６２に冷却噴流を
進入させるように寸法を定められる。比較的大きな急冷
孔は比較的大きな運動量の比較的大きな噴流を生じ、高
温ガス流への比較的大きな進入を可能にする。第２複数
の急冷孔７２が急冷部４８において燃焼ライナ３２の周
囲に沿って周方向に配設される。第２複数の急冷孔７２
は急冷部４８の中間域６４に冷却噴流を進入させるよう
に寸法を定められる。第３複数の急冷孔７４が急冷部４
８において燃焼ライナ３２の周囲に沿って周方向に配設
される。第３複数の急冷孔７４は急冷部４８の外域６６
に冷却噴流を進入させるように寸法を定められる。従っ
て、半径方向に層をなすコア域６２と中間域６４と外域
６６内に急冷空気を比較的均等に配分することにより、
急速混合急冷が達成される。

【００１８】各組の急冷孔は、後述のように、横流内に
進入する噴流の標準相関を用いて寸法を定められる。燃
焼ライナ３２のかなりの部分が急冷部４８周囲の急冷孔
のために除去されるので、燃焼ライナ３２の総合的な構
造健全性を保つために急冷部４８に二重厚さのライナ３
２を利用してもよい。本発明の一実施例において、第１
複数の急冷孔７０は直径が約０．１インチ〜約０．３イ
ンチの範囲内にある約２〜約１０個の急冷孔からなる。
第１複数の急冷孔７０は急冷部４８の周囲に沿って隔設
され、約３０度〜約１８０度の範囲内の角度間隔で相隔
たっている。第２複数の急冷孔７２は直径が約０．０５
インチ〜約０．２インチの範囲内にある約２０〜約６０
個の急冷孔からなる。第２複数の急冷孔７２は急冷部４
８の周囲に沿って隔設され、約５度〜約２０度の範囲内
の角度間隔で相隔たっている。一実施例において、第２
複数の急冷孔７２は約０．０５インチ〜約０．３インチ
の範囲内において第１複数の急冷孔７０から軸方向にず
れている。ここでの「ずれ」という用語は、一組の急冷
孔が上流濃密部に比較的接近して配設されそして他の組
の急冷孔が下流希薄部に比較的接近して配設されるよう
にそれぞれの急冷孔を配設することを意味する。第３複
数の急冷孔７４は直径が約０．００５インチ〜約０．１
インチの範囲内にある約１００〜約５００個の急冷孔か
らなる。第３複数の急冷孔７４は急冷部４８の周囲に沿
って隔設され、約０．５度〜約７度の範囲内の角度間隔
で相隔たっている。一実施例において、第３複数の急冷
孔７４は約０．０５インチ〜約０．１インチの距離だけ
軸方向にずれた２つの相隔たる帯状列の急冷孔７４から
なる。一実施例において、第３複数の急冷孔７４は約
０．１インチ〜約０．３インチの範囲内において第１複
数の急冷孔７０から、そして約０．０５インチ〜約０．
２インチの範囲内において第２複数の急冷孔７２から軸
方向にずれている。

【００１９】一実施例において、各区域６２、６４、６
６は区域それぞれの断面積に比例する量の急冷空気を受
入れる。等半径の区域を有する一実施例では、コア域６
２は急冷空気の約１１％を受入れ、中間域６４と外域６
６はそれぞれ急冷空気の約３２％と約５６％を受入れ
る。このような構成による急冷空気の配分はそれぞれの
区域の断面積に比例し得る。等断面積の区域を有する代
替実施例では、コア域６２と中間域６４と外域６６はそ
れぞれ、利用し得る急冷空気の約３３％を受入れる。

【００２０】本発明の他の実施例によれば、急冷部４８
は、図３に示すように、２つの別々の区域、すなわち、
コア域１６２と外域１６４とに分割される。「等半径」
実施例では、コア域１６２は中心点６８と、中心点６８
と燃焼ライナ３２との間の半径方向距離の半分との間の
空間を占め、そして外域１６４は中心点６８から測って
前記半径方向距離の半分と燃焼ライナ３２との間の空間
を占める。従って、図３に示すように、内域１６２は断
面が本質的に円形であるが、外域１６４は断面が本質的
に環状である。

【００２１】「等面積」実施例では、内域１６２は急冷
部４８の断面積の半分を占めそして外域１６４は急冷部
４８の断面積の半分を占める。本発明の一実施例によれ
ば、図３に示すように、第１複数の急冷孔１７０が急冷
部４８において燃焼ライナ３２に配設される。第１複数
の急冷孔１７０は急冷部４８の内域１６２に冷却噴流を
進入させるように寸法を定められる。第２複数の急冷孔
１７２が急冷部４８において燃焼ライナ３２に配設され
る。第２複数の急冷孔１７２は急冷部４８の外域１６４
に冷却噴流を進入させるように寸法を定められる。各組
の急冷孔は、横流内に進入する噴流の標準相関を用いて
寸法を定められる。

【００２２】本発明の一実施例において、第１複数の急
冷孔１７０は直径が約０．１インチ〜約２．０インチの
範囲内にある約２〜約１０個の急冷孔からなる。第１複
数の急冷孔１７０は急冷部４８の周囲に沿って隔設さ
れ、約３０度〜約１８０度の範囲内の角度間隔で相隔た
っている。第２複数の急冷孔１７２は直径が約０．０５
インチ〜約０．３インチの範囲内にある約２０〜約６０
個の急冷孔からなる。第２複数の急冷孔１７２は急冷部
４８の周囲に沿って隔設され、約５度〜約２０度の範囲
内の角度間隔で相隔たっている。一実施例において、第
２複数の急冷孔１７２は約０．０５インチ〜約０．３イ
ンチの範囲内において第１複数の急冷孔１７０から軸方
向にずれている。

【００２３】一実施例において、各区域１６２、１６４
は区域それぞれの断面積に比例する量の急冷空気を受入
れる。このような構成による急冷空気の配分はそれぞれ
の区域の断面積に比例し得る。等面積の区域を有する一
実施例では、内域１６２と外域１６４はそれぞれ、利用
し得る急冷空気の約５０％を受入れる。本発明の他の実
施例によれば、急冷部４８は、図４に示すように、４つ
の別々の区域、すなわち、コア域２６０と第１中間域２
６２と第２中間域２６４と外域２６６とに分割される。

【００２４】「等半径」実施例では、コア域２６０は中
心点６８と、中心点６８と燃焼ライナ３２との間の半径
方向距離の４分の１との間の空間を占め、第１中間域２
６２は中心点６８と燃焼ライナ３２との間の半径方向距
離の４分の１と、中心点６８と燃焼ライナ３２との間の
半径方向距離の半分との間の空間を占め、第２中間域２
６４は中心点６８と燃焼ライナ３２との間の半径方向距
離の半分と、同半径方向距離の４分の３との間の空間を
占め、そして外域２６６は中心点６８と燃焼ライナ３２
との間の半径方向距離の４分の３と、燃焼ライナ３２と
の間の空間を占める。

【００２５】「等面積」実施例では、コア域２６０と第
１中間域２６２と第２中間域２６４と外域２６６はそれ
ぞれ急冷部４８の断面積の４分の１を占める。本発明の
一実施例によれば、図４に示すように、第１複数の急冷
孔２７０が急冷部４８において燃焼ライナ３２に配設さ
れる。第１複数の急冷孔２７０は急冷部４８のコア域２
６０に冷却噴流を進入させるように寸法を定められる。
第２複数の急冷孔２７２が急冷部４８において燃焼ライ
ナ３２に配設される。第２複数の急冷孔２７２は急冷部
４８の第１中間域２６２に冷却噴流を進入させるように
寸法を定められる。第３複数の急冷孔２７４が急冷部４
８において燃焼ライナ３２に配設される。第３複数の急
冷孔２７４は第２中間域２６４に冷却噴流を進入させる
ように寸法を定められる。第４複数の急冷孔２７６が急
冷部４８において燃焼ライナ３２に配設される。第４複
数の急冷孔２７６は外域２６６に冷却噴流を進入させる
ように寸法を定められる。各組の急冷孔は、横流内に進
入する噴流の標準相関を用いて寸法を定められる。

【００２６】本発明の「等半径」実施例または「等面
積」実施例では、各種の急冷孔の数と直径が、以下に開
示する本発明の方法を用いて容易に決定される。最初
に、それぞれの燃焼ライナの総合開面積が、所望の全空
気流量および全燃料流量と、運転圧力と、圧縮機吐出し
空気温度と、所望全圧力降下から決定される。代表的な
缶環状ガスタービンは、例えば３０平方インチの公称総
合開面積と、例えば２０ｌｂ／ｓの公称空気質量流量を
有し、８気圧の公称圧力と、６２０゜Ｆの公称圧縮機吐
出し温度で作用し、そして２．５％の公称全圧力降下を
有し得る。これらの値は単に例示用であり、本発明を特
定寸法または特定クラスのタービンに限定するものでは
ない。

【００２７】次に、濃密部と急冷部と希薄部それぞれに
配分される開面積の比率が決定される。濃密段開面積
は、代表的な場合、約１．１〜約１．８の当量比の発生
に十分な空気を濃密段に入れるように選定される。急冷
段開面積は、代表的な場合、約約２０００゜Ｆ（１０９
５℃）〜約２７５０゜Ｆ（１５１０℃）の温度の燃料希
薄混合気の発生に十分な空気を燃焼器に入れるように選
定される。希薄段開面積は、燃焼ガス温度を所望タービ
ン入口温度範囲に下げるのに十分な空気を燃焼器に入れ
るように割当てられる。

【００２８】急冷段総合開面積が選定された後、設計者
は「等半径」または「等面積」実施例を選択し、そして
急冷部を２つの区域（コア域と外域）か３つの区域（コ
ア域と中間域と外域）あるいはより多くの区域に分ける
ことを選択する。次に、急冷孔が、最大の半径方向噴流
進入距離Ｙ_max が対応区域（すなわち、コア域、中間
域、外域等）のほぼ中央に達するように寸法を定められ
る。任意の特定Ｙ_max を得るのに必要な孔直径ｄ_holeを
決定するために、次の方程式が用いられる。

【００２９】

【数１】ただしρ_j ＝急冷空気噴流の密度、ρ_b ＝急冷部内の燃
焼ガスの密度、ｖ_j ＝急冷空気噴流の速度、ｖ_b ＝急冷
部内の燃焼ガスの速度、そしてｄ_hole ＝急冷孔の直径
である。次いで、各直径の孔の所要数が、それぞれの急
冷域への急冷空気の配分から容易に決定される。

【００３０】以下の例は、当業者がこの設計方法を関心
のある任意の特定条件に適用し得るように十分詳細に本
技術の適用を示す。この例は本技術を例示するもので、
その適用を特定条件に限定するものではない。所望圧力
降下を得るには燃焼ライナ総合開面積が３０平方インチ
でなければならないと設計者が決定した場合を考える。
設計者はさらに、濃密段は所望の燃料濃密当量比（例え
ばφ＝１．２）で作用するには全空気流量の４０％を受
入れなければならず、急冷段は所望急冷温度（例えばＴ
＝２６５０゜Ｆ）に達するには全空気流量の４５％を受
入れなければならず、そして希薄段は所望燃焼器出口温
度（例えば２３５０゜Ｆ）に達するには全空気流量の１
５％を受入れなければならないと決定した。この例で
は、総合急冷空気噴流開面積は０．４５×３０ｉｎ² ＝１３．５ｉｎ² ＝０．００８７
１ｍ² である。

【００３１】もし設計者がさらに急冷段直径を８インチ
に選定し、また急冷部を等面積の２つの区域に分割する
ことを選択すれば、この場合、コア域は半径が２．８３
インチになり、外域は燃焼器壁から内方に１．１７イン
チ延在し、そして急冷段は２組の孔を有する。大孔は最
大進入深さＹ_max が２．５９インチの噴流を生じ、そし
て小孔は最大進入深さＹ_max が０．５９インチの噴流を
生じる。大孔の総合開面積は総合急冷孔開面積の５０
％、すなわち、０．５×１３．５ｉｎ² ＝６．７５ｉｎ
² である。

【００３２】次に設計者は、急冷空気と急冷部内の燃焼
ガスの既知密度と、急冷空気噴流と急冷部を通流する燃
焼ガスの速度とを用いて無次元比Ｙ_max ／ｄ_holeを計算
する。この例では、燃焼器作用圧力は１４７ｐｓｉａと
仮定する。２６５０゜Ｆの急冷部燃焼ガス温度を用いる
と、急冷部内の密度はほぼρ_b ＝１．９ｋｇ／ｍ³ にな
る。代表的な圧縮機吐出し温度を７２０゜Ｆと仮定する
と、急冷空気密度はほぼρ_j ＝５．３ｋｇ／ｍ³ であ
る。

【００３３】急冷部通流速度は既知の形状を用いて容易
に計算される。２０ｌｂ／ｓの燃焼器全空気流量を用い
ると、急冷部を通る流量は全流量（濃密部空気＋急冷空
気）の８５％、すなわち、１７ｌｂ／ｓ（７．７ｋｇ／
ｓ）である。従って急冷部を通る体積流量は７．７ｋｇ
／ｓ÷１．９ｋｇ／ｍ³ ＝４．１ｍ³ ／ｓである。急冷
部直径が８インチ（断面積＝０．０３２ｍ² ）の場合、
急冷部を通る燃焼ガスの速度は４．１ｍ³ ／ｓ÷０．０
３２ｍ² ＝１２８ｍ／ｓ＝ｖ_b である。

【００３４】急冷空気噴流速度は同様に計算される。急
冷空気噴流質量流量は２０ｌｂ／ｓの４５％、すなわち
９ｌｂ／ｓ（４．１ｋｇ／ｓ）である。従って急冷空気
噴流の体積流量は、４．１ｋｇ／ｓ÷５．３ｋｇ／ｍ³
＝０．７７ｍ³ ／ｓであり、そして急冷空気噴流の速度
は、０．７７ｍ³／ｓ ÷０．００８７１ｍ² ＝８９ｍ／
ｓ＝ｖ_j である。

【００３５】この例では、ρ_b 、ρ_j 、ｖ_b 、ｖ_j のこ
れらの値から得られるＹ_max ／ｄ_ho _leの値は１．３４で
ある。Ｙ_max ／ｄ_holeのこの値を大小急冷噴流の既に決
定された最大進入深さと組合わせると、大小急冷孔それ
ぞれの直径が１．９３インチと０．４４インチに決定さ
れる。単一大孔の断面積は２．９２ｉｎ² であり、単一
小孔の断面積は０．１５ｉｎ² である。

【００３６】最終段階は各種の孔の数を計算することで
ある。この例では、大孔の総合開面積は６．７５ｉｎ²
であり、従って大孔の総数は、６．７５ｉｎ² ÷２．９
２ｉｎ² ＝２．３孔、そして小孔の総数は、６．７５ｉ
ｎ² ÷０．１５ｉｎ² ＝４５孔となるべきである。孔の
数は整数であるから、設計者はこれらの計算値の小数点
以下を四捨五入する。

【００３７】幾何学的面積と有効流れ面積との差を反映
させるために流量係数を上記計算値に含めるように、こ
こに概説した方法を改変する仕方は、当業者には明らか
であろう。

【００３８】

【例１】

【００３９】

【表１】

【００４０】

【表２】本発明の一実施例による模型の濃密・急冷・希薄燃焼器
１４を上に列挙した条件で試験した。図５は４０％濃密
／６０％希薄の空気分割比で測定したＮＯｘ排出量を示
す。４０／６０の空気分割の場合、ＮＯｘ排出量の最小
値は約２４００゜Ｆの燃焼器出口温度で発生した。最少
ＮＯｘはほぼφ_rich＝１．２５の濃密段当量比で生じ
た。最適な濃密段当量比では、ＮＯｘ排出量は約５０ｐ
ｐｍｖ（乾燥、１５％Ｏ₂ に基づく）であった。燃料中
に約４６００ｐｐｍｖのＮＨ₃ がある場合、これはＮＨ
₃ のＮＯｘへの変化が約５％であることに相当する。最
適条件では、ＮＯｘ排出量は、同一または類似の燃料
（上の燃料組成表参照）を燃やす従来の拡散火炎燃焼器
より３倍分以上少なかった。例えば、従来の拡散火炎燃
焼器を利用した以前のパイロットプラントでは、ＮＨ₃
のＮＯｘへの変化は燃焼器出口温度によって約２０％〜
約８０％の範囲にわたった。図６に示すように、上述の
模型の濃密・急冷・希薄燃焼器１４の測定されたＣＯ排
出量は全ての条件の下で約５ｐｐｍｖと約３０ｐｐｍｖ
（乾燥、１５％Ｏ₂ ）の間にあり、急冷段設計が適当な
混合をもたらしそして短い希薄段が燃焼完了に十分な在
留時間をもたらすことを示した。従って、本発明は、急
冷空気と濃密段燃焼ガスとの急速混合を達成するととも
に極めて低い排出レベルと急冷段における低い圧力降下
とを保つ濃密・急冷・希薄燃焼器設計を開示するもので
ある。

【００４１】以上、本発明の幾つかの特徴を説示した
が、様々な改変が本発明の範囲内で可能であることを理
解されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるタービンエンジンの断面側面図で
ある。

【図２】コア域と中間域と外域とを含む、本発明による
急冷部の平面図である。

【図３】コア域と外域とを含む、本発明による急冷部の
平面図である。

【図４】コア域と第１中間域と第２中間域と外域とを含
む、本発明による急冷部の平面図である。

【図５】本発明の一実施例による様々な燃焼器出口温度
でのＮＯｘ排出レベルのグラフである。

【図６】本発明の一実施例による様々な燃焼器出口温度
でのＣＯ排出レベルのグラフである。

【符号の説明】

１２圧縮機１４濃密・急冷・希薄（ＲＱＬ）燃焼器１６タービン２６筒形外側燃焼器ケーシング３０燃焼室３２燃焼ライナ３８出口４２遷移部４６濃密部４８急冷部５０希薄部６２コア域６４中間域６６外域７０、７２、７４急冷孔１６２コア域１６４外域１７０、１７２急冷孔２６０コア域２６２第１中間域２６４第２中間域２６６外域２７０、２７２、２７４、２７６急冷孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マーク・クリストファー・シュミットアメリカ合衆国、ニューヨーク州、ニスカユナ、クリフトン・パーク・ロード、1449 番 (72)発明者スティーブン・ジョージ・ゴーブルアメリカ合衆国、ニューヨーク州、クリフトン・パーク、ボールトゥスロル・ドライブ、22番

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスタービン（１６）の運転において圧
縮機（１２）と協働する燃焼器（１４）であって、筒形
外側燃焼器ケーシング（２６）と、上流濃密部（４６）
と急冷部（４８）と下流希薄部（５０）とを有する燃焼
ライナ（３２）であって、前記外側燃焼器ケーシング
（２６）内に配置されて燃焼室（３０）を画成してお
り、前記急冷部（４８）は少なくともコア域（１６２）
と外域（１６４）とを有する燃焼ライナ（３２）と、前
記急冷部（４８）において前記ライナ（３２）に配設さ
れ、前記急冷部（４８）の前記コア域（１６２）へのコ
ア域冷却噴流進入をもたらすように寸法を定められた少
なくとも第１複数の急冷孔（１７０）と、前記急冷部
（４８）において前記ライナ（３２）に配設され、前記
急冷部（４８）の前記外域（１６４）への外側冷却噴流
進入をもたらすように寸法を定められた少なくとも第２
複数の急冷孔（１７２）とからなる燃焼器（１４）。
【請求項２】ガスタービン（１６）の運転において圧
縮機（１２）と協働する燃焼器（１４）であって、筒形
外側燃焼器ケーシング（２６）と、上流濃密部（４６）
と急冷部（４８）と下流希薄部（５０）とを有する燃焼
ライナ（３２）であって、前記外側燃焼器ケーシング
（２６）内に配置されて燃焼室（３０）を画成してお
り、前記急冷部（４８）は少なくともコア域（６２）と
中間域（６４）と外域（６６）とを有する燃焼ライナ
（３２）と、前記急冷部（４８）において前記ライナ
（３２）に配設され、前記急冷部（４８）の前記コア域
（６２）への冷却噴流進入をもたらすように寸法を定め
られた少なくとも第１複数の急冷孔（７０）と、前記急
冷部（４８）において前記ライナ（３２）に配設され、
前記急冷部（４８）の前記中間域（６４）への冷却噴流
進入をもたらすように寸法を定められた少なくとも第２
複数の急冷孔（７２）と、前記急冷部（４８）において
前記ライナ（３２）に配設され、前記急冷部（４８）の
前記外域（６６）への冷却噴流進入をもたらすように寸
法を定められた少なくとも第３複数の急冷孔（７４）と
からなる燃焼器（１４）。
【請求項３】ガスタービン（１６）の運転において圧
縮機（１２）と協働する燃焼器（１４）であって、筒形
外側燃焼器ケーシング（２６）と、上流濃密部（４６）
と急冷部（４８）と下流希薄部（５０）とを有する燃焼
ライナ（３２）であって、前記外側燃焼器ケーシング
（２６）内に配置されて燃焼室（３０）を画成してお
り、前記急冷部（４８）は少なくともコア域（２６０）
と第１中間域（２６２）と第２中間域（２６４）と外域
（２６６）とを有する燃焼ライナ（３２）と、前記急冷
部（４８）において前記ライナ（３２）に配設され、前
記急冷部（４８）の前記コア域（２６０）への冷却噴流
進入をもたらすように寸法を定められた少なくとも第１
複数の急冷孔（２７０）と、前記急冷部（４８）におい
て前記ライナ（３２）に配設され、前記急冷部（４８）
の前記第１中間域（２６２）への冷却噴流進入をもたら
すように寸法を定められた少なくとも第２複数の急冷孔
（２７２）と、前記急冷部（４８）において前記ライナ
（３２）に配設され、前記急冷部（４８）の前記第２中
間域（２６４）への冷却噴流進入をもたらすように寸法
を定められた少なくとも第３複数の急冷孔（２７４）
と、前記急冷部（４８）において前記ライナ（３２）に
配設され、前記急冷部（４８）の前記外域（２６６）へ
の冷却噴流進入をもたらすように寸法を定められた少な
くとも第４複数の急冷孔（２７６）とからなる燃焼器
（１４）。
【請求項４】上流濃密部（４６）と急冷部（４８）と
下流希薄部（５０）とを有する燃焼ライナ（３２）を含
みそして空気流量と燃料流量と運転圧力と圧縮機吐出し
空気温度と全圧力降下とを有する急冷軸方向段付き燃焼
器（１４）の急冷孔形状を決定する方法であって、前記
空気流量と前記燃料流量と前記運転圧力と前記圧縮機吐
出し空気温度と前記全圧力降下とから前記燃焼器ライナ
（３２）の総合開面積を決定する段階と、前記総合開面
積を前記濃密部（４６）と前記急冷部（４８）と前記希
薄部（５０）それぞれに配分する段階と、前記急冷部
（４８）の区域の数を選定する段階と、冷却噴流進入距
離が対応区域のほぼ中央に達するように前記急冷孔の寸
法を定める段階と、前記急冷孔の寸法と前記ライナ各部
の配分された総合開面積部とから各対応区域への冷却噴
流進入をもたらすように前記急冷孔の数を定める段階と
からなる方法。